Sistemas eléctricos de potencia y máquinas eléctricas: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 10 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Potencia trifásica

Conexión en estrella (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Conexión en triángulo (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Potencia activa total
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Potencia aparente y reactiva
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Condensadores de compensación
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tensión en cada condensador
Δ: VL Y: VL/√3
Potencia absorbida por el motor
Pin = Pout/η

Transformadores

Relación de transformación
a = N1/N2 = V1/V2
Relación de corrientes
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Corriente nominal
I = S/V
Impedancia referida
Z1′ = a²·ZL
Pérdidas en el cobre a carga parcial
Pcu = x²·Pcu,fl
Rendimiento
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Rendimiento máximo
x = √(Pcore/Pcu,fl)

Potencia en alterna y factor de potencia

Potencia activa
P = V·I·cos φ
Potencia reactiva
Q = V·I·sin φ
Potencia aparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Factor de potencia
pf = cos φ = P/S
Condensador de compensación
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Impedancia y fasores en alterna

Impedancias
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frecuencia angular
ω = 2πf
Módulo y ángulo
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Ley de Ohm con fasores
V = I·Z

Método

  1. Convierte la frecuencia: ω = 2πf.
  2. Halla cada reactancia: XL = ωL y XC = 1/(ωC).
  3. Suma las impedancias como resistencias, con Z = R + jX.
  4. Halla el módulo |Z| = √(R² + X²) y el ángulo φ = atan(X/R), y luego aplica la ley de Ohm con fasores.

Motores de corriente continua

Circuito del inducido
V = E + IaRa
Fuerza contraelectromotriz y par
E = k·ω, T = k·Ia
Rapidez
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Velocidad en vacío y par de bloqueo
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Potencias
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Arranque
Istart = V/(Ra + Rst)
Regulación de velocidad
SR = (n0 − nFL)/nFL
Máxima potencia desarrollada
Pmax = V²/(4Ra)
Accionamiento con troceador
Va = D·Vdc

Método

  1. Dibuja el circuito del inducido: la alimentación V, la resistencia Ra y la fuerza contraelectromotriz E en serie.
  2. Usa V = E + Ia·Ra para relacionar tensión, corriente y fuerza contraelectromotriz.
  3. Usa E = k·ω para la velocidad y T = k·Ia para el par, con ω = 2π·n/60.
  4. Para potencia y rendimiento, parte de V·Ia, resta las pérdidas en el cobre Ia²·Ra y después las pérdidas rotacionales.

2Problemas de práctica

1.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 208 VZ = 24 + j18 Ωpor fase

Una carga equilibrada conectada en triángulo, con una impedancia de 24 + j18 Ω por fase, se conecta a una alimentación trifásica equilibrada con una tensión de línea de 208 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.

VL = 208 VZ = 24 + j18 Ω por fase
P = kW
2.Potencia trifásicaDifícil
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 120 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 400 V (de línea) y 50 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,95 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en estrella. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 120 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMedia
RL​ = 40 Ω51600 VV2​I1​ = ?I2​

A un transformador ideal con una relación de transformación N₁:N₂ = 5:1 se le aplican 600 V en el devanado primario. Se conecta una resistencia de 40 Ω en el devanado secundario. Halla la corriente del primario I1.

N1:N2 = 5:1V1 = 600 VRL = 40 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,95100 kVA, 50% carga

Un transformador monofásico de 100 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 800 W y unas pérdidas en el cobre de 2400 W a carga nominal. Suministra el 50 % de sus kVA nominales con un factor de potencia de 0,95 inductivo. Halla las pérdidas totales Ploss en vatios con esta carga.

S = 100 kVAPcore = 800 WPcu,fl = 2400 Wx = 0,5pf = 0,95
Ploss = W
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
240 VR + jXP = 2520 W14 A

Una carga inductiva consume 14 A y 2520 W de una alimentación monofásica de 240 V (eficaces). Modélala como una resistencia R en serie con una reactancia X. Halla X.

V = 240 VI = 14 AP = 2520 W
X = Ω
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
24 V60 HzRs​ = 4 ΩXs​ = j6 ΩZL​ = ?

Una fuente de 24 V (eficaces) y 60 Hz tiene una impedancia interna Zs = 4 + j6 Ω. La impedancia de carga ZL puede elegirse libremente. Halla la potencia activa máxima Pmax que puede entregarse a la carga.

Vs = 24 V (rms)f = 60 HzZs = 4 + j6 Ω
Pmax = W
7.Impedancia y fasores en alternaMedia
24 V500 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 100 µFI

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 24 V (eficaces) y 500 Hz. Halla la potencia activa P que se toma de la alimentación.

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 100 µF
P = W
8.Impedancia y fasores en alternaDifícil
24 V500 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 24 V (eficaces) y 500 Hz. Halla la frecuencia de resonancia f0 del circuito.

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF
f0 = Hz
9.Motores de corriente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)4,8 N·mn0​n = ?

Un motor de corriente continua (k = 0,4 N·m/A, Ra = 0,4 Ω) funciona a 120 V y mueve un par de carga de 4,8 N·m. Halla su velocidad n en rpm.

V = 120 Vk = 0,4 N·m/ARa = 0,4 ΩT = 4,8 N·m
n = rpm
10.Motores de corriente continuaDifícil
+−220 VD = ?Ra​ = 0,4 ΩM+−En = 750 rpmT = 20 N·m

Un troceador de continua alimenta un motor (k = 0,8 V·s/rad, Ra = 0,4 Ω) desde un bus de continua de 220 V. La tensión media del inducido es D·220 V. Halla el ciclo de trabajo D con el que el motor funciona a 750 rpm con una carga de 20 N·m.

Vdc = 220 Vk = 0,8 V·s/radRa = 0,4 ΩT = 20 N·mn = 750 rpm
D = %

3Disoluciones

1.Potencia trifásica

Respuesta: P = 3,461 kW

Sistemas trifásicos equilibrados: en una conexión en Y (estrella) la tensión de línea es √3 veces la tensión de fase, VL = √3·Vph, y la corriente de línea es igual a la corriente de fase. En una conexión en Δ (triángulo) la tensión de línea es igual a la tensión de fase y la corriente de línea es √3 veces la corriente de fase, IL = √3·Iph. La potencia total es tres veces la potencia de una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Tensión de fase

Vph = VL = 208 V

Corriente de fase

|Z| = √(24² + 18²) = 30 Ω
Iph = 208/30 = 6,933 A

Potencia activa total

Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.

P = 3·Iph²·R = 3·6,933²·24 = 3,461 kW

Respuesta

P = 3,461 kW

Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,8, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.

2.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 2006 µF

Sistemas trifásicos equilibrados: en una conexión en Y (estrella) la tensión de línea es √3 veces la tensión de fase, VL = √3·Vph, y la corriente de línea es igual a la corriente de fase. En una conexión en Δ (triángulo) la tensión de línea es igual a la tensión de fase y la corriente de línea es √3 veces la corriente de fase, IL = √3·Iph. La potencia total es tres veces la potencia de una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Corrección del factor de potencia: los condensadores aportan potencia reactiva en el propio punto, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Cada uno de los tres condensadores aporta QC/3 = V²·ω·C, donde V es la tensión en ese condensador: VL en una batería en triángulo, VL/√3 en una batería en estrella.

Potencia reactiva antes y después

La potencia activa no cambia, así que cada factor de potencia fija la potencia reactiva: Q = P·tan φ.

Q1 = 120·tan(acos 0,65) = 120·1,169 = 140,3 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,95) = 120·0,3287 = 39,44 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 100,9 kvar

Capacidad por fase

En una batería en estrella cada condensador está conectado entre una línea y el centro de la estrella.

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 33618/(314,2·230,9²) = 2006 µF

Respuesta

Cph = 2006 µF
3.Transformadores

Respuesta: I1 = 0,6 A

Transformador ideal: las tensiones están en la relación de las espiras y las corrientes en la relación inversa: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a e I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, así que la potencia de entrada es igual a la de salida, V₁·I₁ = V₂·I₂. Una impedancia de carga Z en el secundario se ve como a²·Z desde el primario.

Tensión y corriente del secundario

V2 = 600/5 = 120 V
I2 = 120/40 = 3 A

Corriente del primario

Un transformador ideal no tiene pérdidas: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/5 = 0,6 A

Respuesta

I1 = 0,6 A

Comprobación: la carga vista desde el primario es a²·RL = 1000 Ω, y 600/1000 da la misma corriente.

4.Transformadores

Respuesta: Ploss = 1400 W

Pérdidas del transformador: las pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes de Foucault) dependen de la tensión y son las mismas con cualquier carga. Las pérdidas en el cobre de los devanados van con el cuadrado de la corriente, así que a una fracción x de la carga nominal valen x²·Pcu,fl. Rendimiento η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), con Pout = x·S·pf. El rendimiento es máximo con la carga a la que las pérdidas en el cobre igualan a las pérdidas en el hierro.

Pérdidas en el cobre con esta carga

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,25·2400 = 600 W

Pérdidas totales

Las pérdidas en el hierro son las mismas con cualquier carga.

Ploss = 800 + 600 = 1400 W

Respuesta

Ploss = 1400 W

El rendimiento con esta carga es η = 97,14%.

5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: X = 11,34 Ω

Potencia en alterna: la potencia aparente S = V·I (VA) se divide en potencia activa P = S·cos φ (W), que hace trabajo útil, y potencia reactiva Q = S·sin φ (var), que va y viene entre fuente y carga. El factor de potencia es cos φ. Un condensador en paralelo aporta potencia reactiva en el propio punto, así que la corriente de línea baja para la misma potencia activa.

Resistencia a partir de la potencia activa

R = P/I² = 2520/14² = 12,86 Ω

Reactancia a partir de la impedancia

|Z| = V/I = 240/14 = 17,14 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(17,14² − 12,86²) = 11,34 Ω

Respuesta

X = 11,34 Ω
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Pmax = 36 W

Potencia en alterna: la potencia aparente S = V·I (VA) se divide en potencia activa P = S·cos φ (W), que hace trabajo útil, y potencia reactiva Q = S·sin φ (var), que va y viene entre fuente y carga. El factor de potencia es cos φ. Un condensador en paralelo aporta potencia reactiva en el propio punto, así que la corriente de línea baja para la misma potencia activa.

Adaptación conjugada

La reactancia de la carga anula la reactancia de la fuente, y la resistencia de la carga es igual a la resistencia de la fuente.

ZL = Zs* = 4 − j6 Ω

Potencia máxima

I = Vs/(2Rs) = 24/8 = 3 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·4) = 36 W

Respuesta

Pmax = 36 W
7.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: P = 0,7029 W

Circuitos de alterna con fasores: resistencias, bobinas y condensadores tienen impedancias R, jωL y 1/(jωC), con ω = 2πf. En serie, las impedancias se suman como resistencias, pero como números complejos. La corriente y la tensión eficaces siguen la ley de Ohm con |Z|.

Reactancias

XL = 157,1 Ω, XC = 3,183 Ω

Impedancia

|Z| = √(30² + (153,9)²) = 156,8 Ω

Potencia activa

Las bobinas y los condensadores solo almacenan y devuelven energía; la resistencia absorbe toda la potencia activa.

I = 24/156,8 = 0,1531 A
P = I²·R = 0,1531²·30 = 0,7029 W

Respuesta

P = 0,7029 W
8.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: f0 = 339,3 Hz

Circuitos de alterna con fasores: resistencias, bobinas y condensadores tienen impedancias R, jωL y 1/(jωC), con ω = 2πf. En serie, las impedancias se suman como resistencias, pero como números complejos. La corriente y la tensión eficaces siguen la ley de Ohm con |Z|.

Resonancia

En resonancia, las reactancias inductiva y capacitiva se anulan: ωL = 1/(ωC). La frecuencia de la alimentación no influye.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,1·2,2·10⁻⁶)) = 339,3 Hz

Respuesta

f0 = 339,3 Hz
9.Motores de corriente continua

Respuesta: n = 2750 rpm

Motor de corriente continua: el inducido es una resistencia Ra en serie con la fuerza contraelectromotriz E, de modo que V = E + Ia·Ra. La fuerza contraelectromotriz crece con la velocidad, E = k·ω, y el par con la corriente, T = k·Ia, con la misma constante del motor k (V·s/rad = N·m/A) en unidades del SI. Convierte las velocidades con ω = 2π·n/60. La potencia desarrollada es E·Ia = T·ω; la potencia de entrada es V·Ia, y las pérdidas en el cobre Ia²Ra y las pérdidas rotacionales son la diferencia. La velocidad cae linealmente con el par, ω = V/k − Ra·T/k², desde la velocidad en vacío V/k hasta cero en el par de bloqueo k·V/Ra. En reposo E = 0, así que la corriente de arranque V/Ra es grande a menos que una resistencia la limite.

Corriente de inducido

Ia = T/k = 4,8/0,4 = 12 A

Fuerza contraelectromotriz y velocidad

E = 120 − 12·0,4 = 115,2 V
ω = E/k = 288 rad/s → n = 2750 rpm

Respuesta

n = 2750 rpm
10.Motores de corriente continua

Respuesta: D = 33,11 %

Motor de corriente continua: el inducido es una resistencia Ra en serie con la fuerza contraelectromotriz E, de modo que V = E + Ia·Ra. La fuerza contraelectromotriz crece con la velocidad, E = k·ω, y el par con la corriente, T = k·Ia, con la misma constante del motor k (V·s/rad = N·m/A) en unidades del SI. Convierte las velocidades con ω = 2π·n/60. La potencia desarrollada es E·Ia = T·ω; la potencia de entrada es V·Ia, y las pérdidas en el cobre Ia²Ra y las pérdidas rotacionales son la diferencia. La velocidad cae linealmente con el par, ω = V/k − Ra·T/k², desde la velocidad en vacío V/k hasta cero en el par de bloqueo k·V/Ra. En reposo E = 0, así que la corriente de arranque V/Ra es grande a menos que una resistencia la limite.

Tensión de inducido necesaria

Va = 0,8·78,54 + 25·0,4 = 72,83 V

Ciclo de trabajo

D = 72,83/220 = 33,11 %

Respuesta

D = 33,11 %

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